Ograniczenia rozmiaru fizycznego zaczynają hamować trend podwajania gęstości tranzystorów w mikroprocesorach krzemowych co dwa lata, zgodnie z przewidywaniami prawa Moore’a. Elektronika molekularna, czyli wykorzystanie pojedynczych cząsteczek chemicznych jako elementów składowych podzespołów elektronicznych, oferuje potencjalną ścieżkę do dalszej ich miniaturyzacji.
Czytaj też: Chińska odpowiedź na Neuralink. Naukowcy wprowadzili do interfejsu kluczową zmianę
Naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign opracowali unikalny sposób kontrolowania przewodności elektrycznej (konduktancji) poprzez zastosowanie cząstek typu drabinkowego (o sztywnych szkieletach). Można je wytworzyć w stosunkowo łatwy sposób, zbliżony do gotowania dania jednogarnkowego. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Chemistry.
Prof. Charles Schroeder z University of Illinois Urbana-Champaign mówi:
W dziedzinie elektroniki molekularnej należy wziąć pod uwagę elastyczność i ruch cząsteczek oraz to, jak wpływa to na właściwości funkcjonalne. Okazuje się, że odgrywa to znaczącą rolę we właściwościach elektronicznych cząsteczek. Aby pokonać to wyzwanie i osiągnąć stałą przewodność niezależnie od konformacji, naszym rozwiązaniem było przygotowanie cząsteczek o sztywnych szkieletach.
Elektronika molekularna sposobem na jeszcze mniejsze urządzenia elektroniczne
Jednym z największych wyzwań elektroniki molekularnej jest to, że wiele cząsteczek organicznych jest elastycznych i ma wiele tzw. konformacji. Jest to układ przestrzenny atomów mogący zmieniać się przez obrót wokół pojedynczych wiązań chemicznych, bez ich zrywania. Każda konformacja potencjalnie skutkuje inną przewodnością elektryczną, a więc i właściwościami.
Czytaj też: Wulkany i elektronika mają więcej wspólnego, niż się spodziewasz
Mianem cząsteczek typu drabinkowego określa się takie, które zawierają nieprzerwaną sekwencję pierścieni chemicznych z co najmniej dwoma wspólnymi atomami między pierścieniami, co “blokuje” konkretną konformację. Taki prosty chemiczny trik zapewnia trwałość kształtu i ogranicza ruchy obrotowy cząsteczki, co również minimalizuje zmienność przewodności.
Dr Hao Yang z University of Illinois Urbana-Champaign dodaje:
W przypadku cząsteczki o wielu konformacjach zmienność przewodności jest bardzo duża, czasami 1000 razy różna. Postanowiliśmy użyć cząsteczek typu drabinkowego, które są trwałe w kształcie, i wykazały one stabilny zestaw sztywnych konformacji, dzięki czemu możemy uzyskać stabilną i solidną przewodność połączeń molekularnych.
Jeżeli chce się zastosować elektronikę molekularną w urządzeniu, konieczne jest posiadanie stałej przewodności, bo wszystkie komponenty muszą mieć takie same właściwości.
Aby kontrolować przewodność elektryczną cząsteczek o trwałym kształcie, naukowcy zastosowali unikalną strategię syntezy drabinkowej w jednym naczyniu, którą można porównać do gotowania dania jednogarnkowego. Stosując taką metodę można używać prostszych i dostępnych komercyjnie składników, uzyskując bogatą różnorodność cząsteczek odpowiednio dopasowanych do konkretnych urządzeń elektronicznych.
Uczeni zademonstrowali słuszność swojej metody poprzez projektowanie, syntezę i charakteryzowanie właściwości elektronicznych cząsteczki przypominającej motyla (ze “skrzydłami” pierścieni chemicznych). Mają nadzieję, że utoruje to drogę do projektowania innych funkcjonalnych materiałów, a ostatecznie do bardziej niezawodnych i wydajnych urządzeń elektronicznych.